Текст книги "Космос. Все о звёздах, планетах, космических странниках"
Автор книги: Борис Пшеничнер
Соавторы: Оксана Абрамова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 23 страниц)
Во второй половине XX в. экологический кризис приобрёл космическую составляющую. Человек, начав осваивать космос как четвёртую среду обитания, распространяет загрязнение окружающей среды за пределы земного шара.
Активная «жизнь» почти всех искусственных спутников Земли продолжается от нескольких месяцев до нескольких лет. В начале космической эры к «отжившим» спутникам интерес пропадал, и никто не следил, по каким орбитам они продолжают свой полет. Количество пассивных космических объектов быстро возрастало в связи с ростом числа космических запусков, которое вскоре перевалило за сотню в год. Начиная с нашего первого спутника, запущенного 1 октября 1957 г., в космос отправили более 20 тыс. аппаратов общей массой свыше 3 тыс. т; абсолютное большинство – в околоземное пространство.
Опасность «космической свалки» была осознана только спустя три десятилетия после начала космической эры, когда стала реальной угроза столкновения пилотируемых космических аппаратов и дорогостоящих спутников с «мёртвыми» предметами космической деятельности. Тогда и появился термин «космический мусор».
Число отслеживаемых объектов в космических окрестностях Земли значительно превышает количество космических стартов, и это несмотря на то, что многие спутники уже сошли с орбиты и разрушились. Удивляться этому не приходится. Во-первых, некоторые ракеты выводили сразу два и даже несколько спутников. Во-вторых, кроме космических аппаратов учитываются все обнаруженные искусственные объекты. Количество космического мусора ежегодно возрастает не только за счёт новых запусков, но и в результате дробления при столкновениях отработавших аппаратов.
По данным исследований Института астрономии Российской академии наук и Национального аэрокосмического агентства США (NASA), более 40% космического мусора, движущегося на низких орбитах, является осколками от взрывов верхних ступеней космических ракет и выработавших свой ресурс спутников. Уже к началу 1990-х г. было зафиксировано 112 взрывов – и запланированных, и случайных. Вплоть до 1990-х г. происходили взрывы верхних ступеней ракет «Дельта», «Титан», «Космос», «Протон», «Зенит», «Рокот», «Пегас» из-за перегрева остававшегося в них неиспользованного топлива. Например, подобные случаи на семи вторых ступенях ракет «Дельта» породили 1300 новых занесённых в каталоги космических объектов.
Топливный бак двигателя второй ступени ракеты-носителя «Дельта-2» весом 250 кг упал 22 января 1997 г. в США вблизи Джорджтауна
Искусственный спутник на орбите Земли
В интересах противоракетной и противокосмической обороны в СССР и США были созданы военные службы контроля за космическим мусором. Системы контроля околоземного пространства используют радары дальнего обнаружения, а также совершенные оптические и электронно-оптические установки. Они могут «разглядеть» на высотах до 2000 км фрагменты космического мусора размером 10–30 см. На геостационарной орбите (высота около 36 000 км) она может обнаружить объекты размером не менее одного метра. Космическую «мелочь» удается наблюдать с помощью радиолокаторов.
В нашей стране работы по наблюдению космического мусора организует и координирует группа учёных из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша (ИПМ). В ИПМ присваивают вновь открытым объектам временные номера и заносят данные в каталог.
В 2008 г. специалисты непрерывно отслеживали в околоземном пространстве примерно 12 тыс. объектов размером более 10 см. Чем меньше размер космического мусора, тем больше его количество. С помощью статистических расчётов учёные приблизительно оценили количество космической «мелочи»: объектов размером от 1 до 10 см – от 70 до 1 50 тыс., а частиц меньше сантиметра, вероятно, около трех с половиной миллионов единиц. Напомним, что общая масса всей этой мелочи – порядка 3000 т.
Наиболее «засорены» высоты от 600 до 800 км. На таких орбитах объекты могут «жить» в среднем около 300 лет. Объекты космического мусора движутся на разных высотах, по различным орбитам, в разных направлениях, причем при лобовой встрече фрагментов космического мусора с действующими космическими аппаратами скорость их столкновения может достигать 15 км/с (почти 60 тыс. км/ч!) и потому представляет опасность для деятельности людей в космосе. Особенно велика угроза столкновений с космическим мусором размерами менее 10 см, элементы которого не всегда удается отслеживать. Столкновение управляемого аппарата даже с сантиметровым осколком может привести к катастрофе в космосе. Особенно опасно подобное столкновение, если на спутнике будет разрушен ядерный реактор.
Первое столкновение на орбите произошло в 1991 г. Тогда спутник «Космос-1934» столкнулся с обломком спутника «Космос-926». Оба объекта в момент встречи двигались на высоте 980 км. Реальность техногенных космических катастроф была подтверждена гибелью французского спутника CERISE, который 24 июля 1996 г. на высоте примерно 660 км столкнулся с фрагментом третьей ступени французской ракеты «Ариан», выведенной на орбиту в 1986 г. Спутник успел поработать ровно год. Работающая на низкой орбите Международная космическая станция (МКС) уже несколько раз подвергалась угрозе столкновения с достаточно крупными осколками искусственного происхождения. Только благодаря мастерству специалистов – баллистиков Центра управления полётами – удавалось вовремя изменять параметры орбиты МКС и предотвращать, таким образом, возможные катастрофы.
Другая область засорения – зона геостационарных орбит, которая плотно «заселена» тысячью спутников-стационаров. Это население ежегодно возрастает на два-три десятка новых станций и множество обломков спутников, разрушившихся по разным причинам. Геостационарные спутники могут подвергаться бомбардировке естественными метеорными телами.
Как среди звёзд отличить искусственные космические объекты, находящиеся на геостационарной орбите? При телескопических наблюдениях астрономы обычно включают часовой механизм, который компенсирует суточное вращение Земли и заставляет телескоп неотрывно «смотреть» на выбранную звезду. При мониторинге космических объектов и их фрагментов на геостационарной орбите, неподвижных относительно Земли, часовой механизм отключается. Поэтому на ПЗС-кадрах геостационарные спутники регистрируются в виде точек, а звёзды выглядят чёрточками.
Время существования пассивных космических аппаратов на самых низких орбитах – несколько десятков лет. Под действием сопротивления воздуха и земного притяжения все спутники на низких орбитах в своё время входят в плотные слои воздуха и ярко вспыхивают подобно болидам. Наиболее массивные из них падают на поверхность Земли. Куски космического мусора размером более метра в среднем падают на её поверхность не реже одного раза в неделю, фрагменты меньшего размера – ежедневно. К сожалению, точно предупредить о времени и месте их падения специалисты пока не могут.
Из-за того, что густонаселённые районы на нашей планете составляют лишь малую долю её поверхности, землянам пока везёт. Например, в 1978 г. «Космос-594» рухнул в тайге на севере Канады, а через год обломки американской космической станции «Скайлэб» выпали в пустынях Австралии. Однако большую опасность представляют аппараты с радиоизотопными источниками электрической энергии.
В 1964 г. в ходе неудачного запуска навигационного спутника США с ядерными источниками энергии радиоактивные материалы рассеялись над Индийским океаном. Обычно же такие спутники к концу периода активного использования в целях безопасности переводят на орбиты высотой около 1000 км, где атмосфера практически отсутствует, и потому аппараты могут оставаться там многие сотни лет – до тех пор, пока ядерные энергетические устройства перестанут представлять радиационную опасность.
Проблема загрязнения космоса признана многими международными организациями, например Международным астрономическим союзом. Помимо всего прочего, космический мусор становится все более существенной помехой для астрономических наблюдений. Например, на каждом четвёртом снимке, полученном космическим телескопом «Хаббл», регистрируются техногенные обломки. Проблема загрязнения ежегодно обсуждается на сессиях Комитета ООН по мирному использованию космического пространства и его подкомитетов. Специалисты пришли к выводу, что прежде всего необходимо сделать более экологичной космическую деятельность, свести к минимуму рост засоренности околоземного пространства. Придётся более тщательно определять требуемое количество ракетного топлива, чтобы после выполнения разгонных и коррекционных операций баки становились почти сухими. В противном случае, как мы уже говорили, перегрев остатков топлива или срабатывание пироболтов могут стать причиной взрыва. На спутнике должен быть запас рабочего тела (например, сжатого газа) для изменения орбиты спутника после исчерпания его ресурса. Возможны два варианта заключительного маневра. Первый – перевод спутника на такую орбиту, чтобы не позже чем через 25 лет он затормозился в атмосфере. Второй вариант – перевод спутника на высокую орбиту космической «свалки». В последние годы крупные аппараты по завершении их миссии сразу сводят с орбиты и затопляют в южной части Тихого океана, уже прозванной «кладбищем космических кораблей».
Существуют проекты эффективного воздействия на опасные кометы или астероиды эшелонами масс крупного космического мусора, скопившегося на околоземных орбитах. Если суммарная масса собранного техногенного мусора составит около 1000 т, то энергия его удара о поверхность опасного объекта может быть сопоставима с энергией ядерного взрыва мощностью от 1 до 10 Мт.
Космический телескоп «Хаббл» – автоматическая обсерватория, выведенная на орбиту Земли в 1990 г.
ГЛАВА VI.
ВСЕМИРНАЯ СЛУЖБА КОСМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Человечество располагает научными, техническими и технологическими возможностями для создания эффективных средств защиты от космической угрозы. На рубеже восьмидесятых – девяностых годов учёные предложили политикам и общественности использовать потенциал военно-промышленного и космического комплексов для создания щита, способного укрыть земную цивилизацию от факторов космической опасности. Первые шаги в этом направлении были сделаны в последнее десятилетие XX в.
Защита земной цивилизации и самой жизни на нашей планете от космических угроз – задача сложная, многоплановая, долговременная и чрезвычайно дорогая. Последствия космического удара могут породить катастрофу регионального и даже глобального масштаба.
Активная защита.
Варианты базирования средств системы перехвата опасных космических объектов
Специалисты рассматривают различные возможности размещения средств космической защиты. В целях большей безопасности система должна иметь несколько эшелонов.
Первый, самый удалённый эшелон предлагается разместить в окрестностях точек либрации системы Солнце – Земля. Точками либрации называют точки, в которых тело малой массы может находиться в состоянии относительного равновесия по отношению к двум другим небесным телам. Второй эшелон специалисты предлагают развернуть вблизи точек либрации системы Земля – Луна, а также на самой Луне.
Третий – также космический эшелон – могут составить специально оснащённые искусственные спутники Земли, находящиеся как на низких, так и на высоких орбитах, вплоть до геостационарных (на высоте около 36 000 км). Четвёртый – последний – эшелон развёртывается на поверхности Земли.
Каждый из эшелонов должен иметь в своем составе комплекс для дальнего обнаружения и определения орбит ОКО, средства воздействия на опасные объекты, а также системы обеспечения работоспособности элементов космической защиты и управления ими.
В чем преимущество размещения средств космической защиты в области точек либрации систем Солнце – Земля и Земля – Луна?
В системе Земля – Луна они расположены в плоскости обращения Луны вокруг Земли и занимают относительно неё неизменное положение. Таких точек существует 5. Из них три (LI, L2, L3) лежат на прямой, соединяющей Землю и Луну, а две другие – L4, L5 – на лунной орбите. Расстояние от Земли до точек либрации LA и L5, как и до Луны, равно 384 000 км. Эти точки – частные решения задачи движения космического объекта под действием притяжения Земли и Луны.
Точки L4 и L5 образуют с Луной и Землёй два равносторонних треугольника. Их называют треугольными точками либрации. Французский математик и астроном Лагранж в конце XIX в. показал, что положение малого тела, помещённого в треугольные точки, будет устойчивым. Более того, тело, выведенное из этих точек, обязательно вернётся назад.
Вот почему вблизи треугольных точек космический объект может находиться без коррекции очень долгое время (до 15 месяцев). Кроме того, благодаря особой структуре силового поля в районе точек либрации затраты на проведение каждой коррекции весьма незначительны по сравнению с коррекциями в любой другой области космического пространства. В этом и заключается основное преимущество базирования здесь космических перехватчиков.
Положение точек либрации в системе Земля – Луна
* * *
Цели и задачи Всемирной службы защиты Земли
Основная цель Всемирной службы защиты Земли очевидна – предотвратить возможность или уменьшить отрицательные последствия космических катастроф. Меры защиты могут быть активные и пассивные. Пассивные меры предполагают обнаружение опасных объектов, слежение за ними, оценку возможных последствий столкновения, эвакуацию населения и ценностей, защиту наиболее важных объектов.
Активные способы защиты сводятся к уничтожению потенциально опасных космических объектов (ОКО) или к изменению их орбит.
В том и другом случае первый этап – открытие ОКО, возможно более полное изучение их размеров, природы и уточнение траектории. Выбор способов защиты и мер воздействия зависит от свойств открытого опасного объекта и времени до возможного столкновения. Воздействие на объект до выяснения его свойств в некоторых случаях может не только не уменьшить опасность, но увеличить масштаб катастрофы. В зависимости от имеющегося запаса времени до столкновения будут планироваться меры защиты.
Необходимые системы защиты Земли:
– обнаружение, слежение, распознание, каталогизация опасных космических объектов;
– определение степени угрозы и возможных последствий столкновения;
– организация специальных мер для предотвращения катастрофы или снижения ее уровня.
В обобщенном виде система должна включать в себя три части: службу наблюдений, службу управления и службу противодействия.
А вот более полный состав системы космической защиты:
– сеть центров теоретических исследований и разработок проблем космической защиты;
– система мониторинга за опасными космическими объектами;
– средства доставки (ракеты-носители, разгонные блоки, перехватчики и др.);
– средства воздействия (ядерные и неядерные);
– средства регистрации и контроля результатов воздействий на опасные космические объекты;
– глобальный командно-измерительный комплекс;
– центральная система управления средствами защиты Земли.
Основные требования к средствам защиты Земли: высокая (оптимальная) экономичность; высокая вероятность перехвата; минимальное влияние мер защиты от опасных космических объектов на околоземное пространство и экологию Земли.
Наиболее реально и необходимо начинать с создания службы оперативного перехвата. Ведь, как мы уже знаем, в ближайшем будущем наиболее вероятно столкновение с небольшим небесным телом, которое может быть обнаружено вблизи Земли за сравнительно короткое время до встречи с ним.
Параллельно необходимо и важно постоянно вести астрономические наблюдения малых тел Солнечной системы, проводить теоретические и экспериментальные исследования по проблемам космической безопасности. Важными направлениями этой работы являются разработка моделей типов опасных космических объектов и моделей воздействия на них.
Их расположение в треугольных точках практически без энергетических затрат позволяет почти всю имеющуюся энергию использовать по прямому назначению для полёта к опасному объекту.
Другое преимущество – возможность в любой момент связаться с базой и передать, если необходимо, программу подготовки и проведения операции защиты.
Такое удаление от Земли термоядерных зарядов сделало бы их безопасными для нас. И что особенно важно, размещение средств защиты на таком расстоянии от Земли позволяет увеличить дальность перехвата ОКО.
Размещение средств защиты в окрестностях устойчивых точек либрации (LA и L5) системы Земля – Солнце имеет дополнительное преимущество: большая удаленность от Земли (150 млн. км) создаёт ещё больший запас времени для обнаружения опасного объекта, определения его свойств и параметров движения. Всё это позволяет выбрать наиболее надёжную стратегию перехвата опасного космического объекта.
Основной проблемой реализации этого варианта базирования является доставка массивных элементов системы в удалённые от Земли точки либрации. Однако транспортные операции могут быть осуществлены с минимальными энергетическими и материальными затратами. Для доставки в дальний космос средств защиты можно будет экономичные электрореактивные двигатели. Ведь создатели баз фактически не будут лимитированы окончательными сроками реализации проекта.
Если использование окрестностей устойчивых точек либрации (L4 и L5) системы Земля-Солнце дело будущего, то в точках либрации L1 и L2, которые в 100 раз ближе к Земле, несут свою вахту астрономические инструменты. В первой из них, расположенной в 1,5 млн. км от нас по направлению к Солнцу, более 10 лет за дневным светилом наблюдает уже знакомая нам обсерватория SOHO. Точка L2 противоположна первой и расположена в 1,5 млн. км позади Земли. Из этой точки можно контролировать почти всю небесную сферу, за исключением небольшого участка, который занимают Солнце, Земля и Луна. Вблизи точки L2 находится несколько аппаратов, ведущих наблюдения космических объектов в различных областях спектра.
Космический аппарат «SOHO» для наблюдения за Солнцем (совместный проект ЕКА и НАСА) был запущен в декабре 1995 г.
Создание такой четырехуровневой системы космической защиты Земли – задача чрезвычайно сложная, рассчитанная на многие десятилетия. Особенно проблематично создание двух «верхних» эшелонов космической стражи. Это дело отдалённого будущего, требующее к тому же огромных финансов. Особо трудная задача – обеспечение длительного и автономного функционирования удалённых космических систем. Некоторые учёные полагают, что подобная система всё-таки может быть создана поэтапно, объединёнными усилиями всех стран, но прежде всего – космических держав. Другие специалисты считают создание описанной «многослойной» системы защиты Земли в обозримом будущем просто нереальным.
Решать проблемы космической защиты Земли можно, объединив усилия и возможности мирового сообщества. Прежде всего необходимо создать международный мобилизационный план – план действий, направленных на снижение ущерба от космических катастроф. План должен включать как пассивные средства (средства гражданской защиты, средства информации), так и активные средства противодействия.
Наиболее реально использовать в системе космической защиты элементы двойного назначения. Их обычно используют в научных и народнохозяйственных целях, но при возникновении космической угрозы мобилизуют для решения задач защиты. Такой подход экономически наиболее оправдан и реалистичен.
Начинать создание системы целесообразно с развёртывания средств защиты Земли от объектов размерами 50–100 м. Во-первых, это посильная задача, а во-вторых, столкновение с объектами таких размеров наиболее вероятно.
Создавать систему следует, опираясь на имеющиеся средства противовоздушной и противоракетной обороны, на технику исследования и освоения космоса, на теоретические и технологические разработки военно-промышленного комплекса. Это не только сэкономит значительные средства, но сильно упростит и ускорит развертывание системы защиты Земли.
Многие специалисты предлагают использовать прежде всего мобильные стартовые ракетные комплексы. Это повысит оперативность защиты. Уже сегодня космические аппараты могут использоваться в интересах астероидной безопасности. Это прежде всего системы спутниковой связи и навигации. Несколько лет с борта геостационарных американских искусственных спутников, оснащённых инфракрасными и оптическими датчиками, ведётся регистрация ярких болидов – вспышек, вызываемых вторжением космических тел в атмосферу Земли.
